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車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耐久試驗的研究
2020-10-20 13:32:29· 來源：AI《汽車制造業(yè)》 作者：萬尚國 張桂明
車門系統(tǒng)，如圖1所示，是汽車車身的重要組成部分，能隔絕車外噪聲，起著保護乘客安全、提高乘員舒適性等作用。用戶在日常使用中，需要經(jīng)常開關(guān)車門，車門系統(tǒng)可
車門系統(tǒng)，如圖1所示，是汽車車身的重要組成部分，能隔絕車外噪聲，起著保護乘客安全、提高乘員舒適性等作用。用戶在日常使用中，需要經(jīng)常開關(guān)車門，車門系統(tǒng)可能會發(fā)生疲勞損傷，從而導致車門焊點開裂、油漆脫落等問題，直接影響使用和美觀。在汽車設計開發(fā)中，車門的開關(guān)耐久性已經(jīng)成為評價車門質(zhì)量重要而又關(guān)鍵的指標。為了高效地設計開發(fā)車門系統(tǒng)，早期發(fā)現(xiàn)可能失效的零件，就得進行車門系統(tǒng)開關(guān)耐久試驗。通常，該試驗周期較長，如何確保對新開發(fā)的車門系統(tǒng)進行有效考核，如何確保整個考核系統(tǒng)達到最優(yōu)化，從而減少汽車試驗、開發(fā)的時間和成本，本文從樣件數(shù)量和試驗壽命周期的合理選取、試驗臺架和人機界面的創(chuàng)新開發(fā)、關(guān)鍵參數(shù)的精確控制和科學選擇、試驗數(shù)據(jù)的有效分析和深化應用，對車門系統(tǒng)耐久試驗做了全過程的論述。
據(jù)威布爾分布確定試驗樣件
根據(jù)威布爾分布確定試驗樣件數(shù)量和試驗壽命周期的倍數(shù)。威布爾分布廣泛應用于車輛的可靠性試驗。車門系統(tǒng)的可靠性是通過其失效時間概率分布來描述的，車門系統(tǒng)常見的疲勞、磨損等故障，其分布類型都服從威布爾分布。所以，威布爾分布也用于車門系統(tǒng)的壽命分析。威布爾分布中，最常見的是雙參數(shù)的威布爾分布，目前在壽命分析中廣泛應用，其分布密度函數(shù)如下所示：
式中，t≥0，β和η分別是分布狀態(tài)和比例參數(shù)β＞0且η>0。威布爾分布的第一個參數(shù)是斜率β，它是形狀參數(shù)，因為它確定了威布爾家族中哪一種分布相關(guān)性最好。第二個參數(shù)是特征壽命η，η作為比例參數(shù)，定義了分布狀態(tài)的大部分。參數(shù)β和η可從壽命數(shù)據(jù)中估計，壽命數(shù)據(jù)總為正值。雙參數(shù)的威布爾分布能有效地分析初期致命失效、實用壽命和耗損階段的壽命數(shù)據(jù)。車門系統(tǒng)的設計必須滿足一定的可靠度要求，保證一定的使用壽命。一般在設計規(guī)范的可靠性部分的要求中，都會提出該子系統(tǒng)或零部件應滿足在某一置信度條件下可靠度要求是多少。通常，對于車門系統(tǒng)的可靠度要求為95%。這種可靠性要求方式通常以RxxCyy表示，如R95C50表示在置信度為50%的條件下可靠度要求為95%。與此同時，還將給出試驗樣件數(shù)的要求。根據(jù)試驗規(guī)范的要求（來自于對用戶使用測評得到的數(shù)據(jù)），按照標準的方法進行試驗，當試驗次數(shù)或壽命通過或達到技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的要求時停止試驗，此時試件必須滿足可靠度大于或等于95%要求。根據(jù)Bayes公式：
R=（1-C）1/N （2）
式中，R為可靠度；C為置信度；N為試件樣件數(shù)。據(jù)此，可以算出滿足可靠度為95%，置信度為50%的要求，所需要的樣件數(shù)為14個。然而，在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，樣件數(shù)量有限，零部件和子系統(tǒng)都是單件生產(chǎn)，非常昂貴，采用如此多的試件進行耐久性試驗，不僅大大增加了開發(fā)成本，而且還需大量的試驗設備。因此，需要減少試驗樣件數(shù)量，在此引入Lipson交換公式：
（X2/X1）=(N1/N2)1/β (3)
式中，N1為由Bayes公式計算出的樣件數(shù)；N2為增加單個試件試驗強度（如：循環(huán)次數(shù)）后的樣件數(shù)；X1為按N1樣件數(shù)進行試驗所需的循環(huán)次數(shù)；X2為按N2樣件數(shù)進行試驗所需的循環(huán)次數(shù)；β為威布爾斜率。對于車門系統(tǒng)，根據(jù)設計規(guī)范的要求，β值取為2.5，根據(jù)Lipson交換公式，如果選擇4個樣件進行試驗，那么每個試件需要完成1.6倍的壽命周期試驗。這樣，通過減少樣件數(shù)量，增加樣件的試驗次數(shù)，同樣可以滿足樣件設計可靠度的要求，如此節(jié)約了試驗資源，降低了研發(fā)成本。試驗樣件數(shù)量和試驗壽命周期倍數(shù)確定之后，就需要開發(fā)相應的試驗設備，進行車門系統(tǒng)開關(guān)耐久試驗，確保試驗樣件得到有效的考核。
車門系統(tǒng)耐久試驗臺架的開發(fā) 車門系統(tǒng)包括門鈑金、密封條、鎖系統(tǒng)、鉸鏈、限位器、內(nèi)外把手和搖窗機等，每個零部件的特性都影響著整個車門系統(tǒng)的疲勞特性，車門系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。
圖1 車門系統(tǒng)的構(gòu)成
車門開關(guān)耐久試驗是基于客戶使用習慣和環(huán)境數(shù)據(jù)基礎上的，模擬客戶使用車門動作的長周期系統(tǒng)級試驗。該試驗考核的零件眾多，不僅涉及車身、外飾等零部件，還涉及內(nèi)飾、電子等部分零件。試驗時車門系統(tǒng)通常安裝在白車身上，白車身固定在雪橇車上，也可以直接在整車上進行試驗。車門開關(guān)耐久試驗的一個周期定義是：內(nèi)把手或外把手解鎖，車門打開，內(nèi)把手或外把手復位，開位置保持一段時間，車門關(guān)閉直至上鎖，再保持一段時間，一個周期結(jié)束。在對車門進行試驗時，需要開發(fā)試驗臺架，該臺架應當模擬客戶的實際使用狀況，能在高低溫環(huán)境中正常運行。
根據(jù)用戶使用測評的數(shù)據(jù)，可以知道一輛車在整個壽命周期內(nèi)進行的開關(guān)門的次數(shù)（1倍壽命周期），以及關(guān)門速度、環(huán)境溫濕度等信息。根據(jù)上述的威布爾分布確定試驗樣件數(shù)量是4個和試驗次數(shù)是1.6倍壽命周期。依據(jù)這些信息，在試驗室進行車門開關(guān)模擬試驗，快速進行驗證。
1.試驗臺架的工作原理 車門系統(tǒng)耐久試驗臺架使用氣缸作為作動器，完成把手解鎖和車門開關(guān)；采用PLC作為控制器，實現(xiàn)整個試驗過程；通過PI控制原理，精確控制車門的關(guān)門速度，實現(xiàn)車門系統(tǒng)耐久試驗的閉環(huán)控制。PLC在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛的應用，其中，模塊化的PLC能滿足各種需求，它包括電源、CPU、數(shù)字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及高速計數(shù)模塊等，適用各種柔性化生產(chǎn)、控制等需求，具有較強的可靠性。基于PLC的以上基本特性，針對車門系統(tǒng)的耐久試驗，自主開發(fā)了試驗臺架，如圖2所示。CPU采用西門子的CPU315-2 DP，在STEP7上進行硬件組態(tài)。PLC程序在西門子STEP7平臺上完成，編程采用模塊化的方式，包括開關(guān)門控制模塊、速度自動調(diào)節(jié)模塊、報警處理模塊等。然后，將各個功能塊集成到一起，在主程序中進行調(diào)用。試驗程序分為手動運行模式和自動運行模式，方便調(diào)試、維護及試驗運行。具體的工作原理是：通過PLC控制電磁閥工作，由電磁閥驅(qū)動裝在車身內(nèi)的氣缸運動，用夾具將氣缸與車門系統(tǒng)連接，以完成車門的開關(guān)動作，同時，采用40mm行程的小氣缸，對車門系統(tǒng)的內(nèi)把手或外把手進行解鎖，實現(xiàn)車門系統(tǒng)開關(guān)耐久的考核。
車門疲勞耐久試驗的具體過程如下：小氣缸控制內(nèi)（或外）把手動作，對車門系統(tǒng)進行解鎖，PLC采集到解鎖信號后，控制大氣缸伸出，同時推動車門直到開位置，PLC收到開位置信號以后，內(nèi)（或外）把手復位，等待一段時間，控制大氣缸縮回，帶動車門關(guān)閉，直至關(guān)閉位置。車門在關(guān)閉的同時，測量關(guān)門速度，進行計數(shù)一次，然后進入下一個周期，直至完成要求的壽命次數(shù)。試驗時需要精確測量車門的關(guān)門速度，以保證每次的關(guān)門能量一致。因此，控制柜中加入了高速計數(shù)模塊，通過采集關(guān)門瞬間的脈沖數(shù)量，即可計算出關(guān)門瞬間的速度。具體的方法是，通過下面公式來計算關(guān)門瞬間的速度：
V=L/t (4)
式中，L是測速板的寬度；t是關(guān)門時測速板通過光電開關(guān)的時間。使用高速計數(shù)模塊采集測速板通過光電開關(guān)的脈沖數(shù)量，乘以每個脈沖的周期，即可知道時間t，即t=nT。通過公式，就可精確計算出關(guān)門速度。關(guān)門瞬間的脈沖信號如圖3所示。
圖3 關(guān)門瞬間的脈沖信號
具體測量方法是：將測速板固定在門鎖下方外鈑金的位置，跟隨車門一起運動，其中測速板的角度可調(diào)，光電開關(guān)固定在車身上，這樣，在車門關(guān)閉時，車門上的測速板完全通過光電開關(guān)。測試裝置如圖4所示。因測速板的寬度是一定的， PLC內(nèi)部的CPU依據(jù)上述公式計算出關(guān)門速度，在觸摸屏上直接顯示。
圖4 測速裝置
觸摸屏是人和PLC之間雙向溝通的橋梁，以實現(xiàn)操作人員與控制器之間的對話和聯(lián)系。本試驗臺架采用西門子TP277-10觸摸屏，觸摸屏通過PROFIBUS-DP總線與PLC進行通信，操作界面易于工作人員運行試驗。對觸摸屏進行組態(tài)，在界面上能夠設定試驗參數(shù)、監(jiān)控試驗狀態(tài)、提示報警信息等。組態(tài)的車門耐久試驗操作界面如圖5所示。
圖5 車門耐久試驗操作界面
PLC和氣動控制元器件都集成在控制柜中，觸摸屏安裝在控制柜的面板上，控制柜的側(cè)面配有多個氣動快插接頭，底部安裝了四個輪子，方便控制柜移動。
2.試驗臺架的控制方式
在進行開關(guān)門試驗時，由于它是長周期的試驗，自動控制就顯得尤為重要了。為了使試驗保持較高的穩(wěn)定性和確保試驗的高質(zhì)量，就需采用閉環(huán)控制方式，對關(guān)門速度進行自動調(diào)節(jié)。為此，在控制柜中加入高速計數(shù)模塊、比例閥等器件。試驗運行時，經(jīng)光電開關(guān)精確測量關(guān)門速度， PLC根據(jù)實時的速度反饋，通過PI調(diào)節(jié)，控制比例閥的輸出氣壓，調(diào)節(jié)氣缸運動的速度，使關(guān)門速度穩(wěn)定在要求的范圍之內(nèi)?；谒俣确答伒拈]環(huán)控制系統(tǒng)，極大地提高了試驗精度和質(zhì)量。控制系統(tǒng)原理，如圖6所示。
圖6 車門耐久試驗閉環(huán)控制原理
車門開關(guān)頻率的優(yōu)化
車門開關(guān)試驗是一種加速疲勞試驗，用于快速驗證車門系統(tǒng)在用戶使用壽命下的疲勞特性，試驗需要完成車門開關(guān)的次數(shù)較多，導致試驗時間較長，目前，對車門系統(tǒng)開關(guān)頻率無統(tǒng)一的標準。為此，科學選擇車門的開關(guān)頻率，在確保試驗質(zhì)量的情況下對縮短試驗時間起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)過CAE分析和大量的物理試驗，并通過實際比對試驗，得出了最優(yōu)化的車門開關(guān)頻率。
1.CAE分析
通過CAE分析，了解車門開關(guān)的動態(tài)過程中，車門從被激勵至達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間。位移曲線、鎖扣力曲線和應力曲線分別如圖7、圖8和圖9所示。其中，橫坐標單位為s。通過以上分析可知：車門的關(guān)門能量0.7 s內(nèi)就能完全釋放掉，然后進入穩(wěn)定狀態(tài)。
圖7 位移曲線
圖8 鎖扣力曲線
圖9 應力曲線
2. 物理試驗
通過在車門和車身上粘貼應變花、布置加速度和安裝鎖扣力傳感器，采集車門開關(guān)的動態(tài)過程中能量釋放的時間。圖10所示是應變花布置。通過物理試驗可知：車門的關(guān)門能量0.6 s之內(nèi)完全釋放掉，然后進入穩(wěn)定狀態(tài)。
圖10 應變花布置
3.試驗頻率的確定 綜合CAE分析和物理試驗，并對組成車門系統(tǒng)的各個零部件的耐久試驗進行了分析研究，其試驗頻率都不小于6次/min，再根據(jù)門鎖的設計標準，解鎖時間小于0.5 s，同時通過大量的比對試驗，得出車門開關(guān)試驗一個周期的典型時間分配，如表所示。由此可見，車門系統(tǒng)耐久試驗的開關(guān)頻率不應大于6次/min，最優(yōu)化的車門開關(guān)頻率是6次/min，此時，既確保了試驗質(zhì)量，又是最短的耐久試驗運行時間。
試驗數(shù)據(jù)的有效分析和深化應用
試驗數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)詳細記錄每個車門樣件的整個耐久試驗狀況。試驗前對樣件進行狀態(tài)檢查，記錄各個功能件的性能數(shù)據(jù)；試驗過程中每完成一定的試驗次數(shù)，進行狀態(tài)檢查、功能檢測，查找試件有無異常出現(xiàn)；試驗后對車門系統(tǒng)進行拆檢，檢查各個零部件的狀態(tài)、功能等。在試驗運行時，試驗過程中的故障都應詳細記錄，寫成專門的報告，建立試件失效模式數(shù)據(jù)庫，及時分析并在規(guī)定的期限內(nèi)找到解決措施，遵循“問題起草、問題定義、初步原因、根本原因、解決方案、方案實施、效果反饋”的過程，確保試件滿足設計要求。大量的車門系統(tǒng)試驗，形成了歷史數(shù)據(jù)庫，通過對數(shù)據(jù)庫中各種故障解決方案的統(tǒng)計并分析，又可以指導新產(chǎn)品的開發(fā)，如此構(gòu)建了一個良性循環(huán)。
結(jié)論 本文研究了威布爾分布在疲勞試驗樣件數(shù)量選擇和壽命分析上的應用；基于PLC控制原理，開發(fā)了車門系統(tǒng)耐久試驗臺架；同時，通過CAE分析和物理試驗，得到了關(guān)門過程中能量衰減情況，優(yōu)化了開關(guān)門的各個動作時間，得出了最優(yōu)的車門開關(guān)頻率，以及論述了對試驗數(shù)據(jù)的深化應用。這些研究對車門系統(tǒng)的設計開發(fā)提供了強有力的保證。實踐證明，已上市車輛經(jīng)過上述驗證的車門系統(tǒng)，零缺陷，無抱怨，得到了用戶的一致肯定。
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